电动汽车有级自动变速器换挡规律优化方法与流程

本发明涉及一种电动汽车有级自动变速器换挡规律的优化方法，属于汽车有级自动变速器技术领域。

背景技术：

换挡规律在装有自动变速器的车辆中发挥着十分重要的作用，它是自动变速系统的核心技术环节之一。目前，电动汽车多采用传统自动变速器，因此与内燃机汽车的换挡规律有相同作用，均为挡位决策的依据，而考虑到其对电机效率、动力性和经济性的影响，换挡规律又存在着一定的差异。

根据控制参数的不同，换挡规律主要分为单参数(车速)、两参数(车速、加速踏板强度)和三参数(车速、加速踏板强度和加速度)换挡规律。目前电动汽车广泛采用的是以车速和加速踏板强度为控制参数的换挡规律。根据换挡规律制定或计算方法不同，又大致分为基于经验的换挡规律和基于约束条件的换挡规律。

基于经验的换挡规律是通过学习优秀驾驶员的操纵经验来获取换挡规律，多采用模糊逻辑、神经网络或进化计算等技术手段，但驾驶员的风格、汽车行驶环境和行驶状态复杂多变，这种方法很难保证汽车性能也达到最优。基于约束条件的换挡规律，在电动汽车中，把动力性、经济性或电机效率作为约束条件，多采用图解法、解析法等方法来计算换挡规律，而多数基于约束条件的换挡规律的制定主要考虑在动力性、经济性某一单向性能指标的约束下寻求最优，难以同时兼顾电机效率、动力性和经济性。本发明所提供的技术方案弥补了以上基于经验和某单一约束条件换挡规律的不足，在综合考虑电动汽车电机效率以及动力性和经济性指标的基础上，使汽车性能达到最优。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上基于经验的换挡规律和基于某单一约束条件的换挡规律的不足，提供一种电动汽车有级自动变速器多性能指标综合最优换挡规律优化方法，旨在体现驾驶员换挡操纵意图的基础上，确保整车动力和经济综合性能指标达到最优。

本发明解决其技术问题所采用的换挡规律优化方法为：包括以下步骤：

首先在对车辆性能和电机驱动特性研究分析的基础上，构造电动汽车多性能综合最优换挡规律的综合评价函数；然后以该综合评价函数为优化目标，以汽车行驶的基本条件和电机高效率区对应的转速范围为约束条件，应用优化算法去计算电动汽车有级自动变速器多性能综合最优换挡规律；

所述的构造电动汽车多性能综合最优换挡规律的综合评价函数，具体步骤为：首先分别构造电动汽车动力性和经济性的评价函数，即动力性分目标函数和经济性分目标函数，然后对这两类分目标函数归一化处理，最后采用线性加权方法构造可用于电动汽车有级自动变速器换挡规律优化的综合评价函数；

所述的动力性分目标函数和经济性分目标函数分别选自对应的评价指标，均采用极小值来表示对应性能最优，即某分目标函数的值越小，则与该分目标函数所对应的性能就越好；

所述的归一化处理，是为了将各分目标函数的值转换至[0,1]的范围内；

所述的线性加权方法，是指将归一化后的各分目标函数分别与其对应的加权系数相乘，然后累加求和，得到综合评价函数；所有加权系数均为非负值且其和为1；

构成所述综合评价函数的归一化后的各分目标函数所对应的加权系数，用于体现驾驶员不同的换挡操纵意图，即驾驶员希望以何种模式驾驶汽车；如给归一化后的经济性分目标函数所对应的加权系数赋予较大的值，而给归一化后的动力性分目标函数所对应的加权系数赋予较小的值，则表明驾驶员希望以经济性为主、同时兼顾动力性的模式驾驶汽车；

所述的汽车基本行驶条件，是指换挡后驱动电机输出的转矩仍足以克服汽车所有行驶阻力；

所述的电机高效率区对应的转速范围，是指不同加速踏板强度下效率在80％以上所对应的转速范围；

最后针对不同的加速踏板强度，采用优化算法去搜索或求解能使综合评价函数达到最优即最小值的有级自动变速器所有相邻两挡的换挡点所对应的车速；根据各相邻两挡组合下所有加速踏板强度及其对应的换挡点车速，绘制出所有换挡曲线。

所述动力性分目标函数采用汽车在不同加速踏板强度下高效率区域1挡所对应的最低车速至n挡(n为变速器前进挡的数量，如变速器有3个前进挡，则n＝3)所对应的最高车速的加速时间表示，表达式如下：

式中，g_d(u)为动力性分目标函数；u为车速；t₁为一定的加速踏板强度下使用1挡使车速从高效率区域1挡所对应的最低车速提升至1挡至2挡换挡车速u₁所用的时间；t_i(i＝2,...,n-1)为一定的加速踏板强度下使用i挡使车速从u_i-1提升至i挡至i+1挡换挡车速u_i所用的时间；t_n为一定的加速踏板强度下使用n挡使车速从u_n-1提升至该加速踏板强度下高效率区域n挡所对应的最高车速所用的时间；

所述经济性分目标函数采用汽车在不同加速踏板强度下高效率区域1挡所对应的最低车速至n挡所对应的最高车速的单位里程能耗表示，表达式如下：

式中，g_j(u)为经济性分目标函数；e₁为一定的加速踏板强度下使用1挡使车速从高效率区域1挡所对应的最低车速提升至u₁所消耗的能量；e_i(i＝2,...,n-1)为一定的加速踏板强度下使用i挡使车速从u_i-1提升至u_i所消耗的能量；e_n为一定的加速踏板强度下使用n挡使车速从u_n-1提升至该加速踏板强度下高效率区域n挡所对应的最高车速所消耗的能量；s为整个过程对应的行驶里程；

采用极差法对各分目标函数值进行归一化处理，将其转换到[0,1]的范围内，所用公式如下：

式中，x′表示归一化后的数据，x为样本原始数据，x_max为样本数据中的最大值，x_min为样本数据中的最小值；

归一化处理后的动力性、经济性分目标函数分别为g'_d(u)、g'_j(u)；

采用线性加权方法，构造多性能综合评价函数f(u)如下：

式中，w_d、w_j分别为动力性分目标和经济性分目标的加权系数，不同的加权系数体现驾驶员不同的换挡操纵意图；如赋予w_j较大的值，赋予w_d较小的值，则表明驾驶员希望以经济性为主、同时兼顾动力性的模式驾驶汽车。

本发明所述的在计算换挡规律时所需约束条件包括汽车基本行驶条件，以及电机高效率区对应的转速范围。

所述汽车基本行驶条件，即在换挡车速u_i(i＝1,...,n-1)下电机输出的转矩能驱动汽车行驶，应满足：

根据电机等效率点绘制效率分布图，结合在不同加速踏板强度下的电机驱动转矩曲线，可获得在不同加速踏板强度下电机高效区域对应的转速范围，再将电机转速换算为不同挡位下的车速，可获得相应挡位的换挡车速范围，表达式如下：

u_(i+1)min≤u_i≤u_imax(i＝1,...,n-1) (6)

式中，u_(i+1)min、u_imax分别是不同加速踏板强度下电机效率大于80％的电机转速所对应的i+1挡最低车速和i挡最高车速。

综上所述，电动汽车n挡有级自动变速器多性能综合换挡规律优化问题可描述如下：

所述优化算法采用遗传算法，其主要步骤如下：

1)导入汽车满载质量m，驱动轮半径r，迎风面积A，空气阻力系数C_D,滚动阻力系数f相关参数，输入各分目标的权值；

2)遗传算法参数初始化：设置种群的大小为150，遗传算法终止迭代代数为50，交叉概率为0.8，变异概率为0.2；

3)设加速踏板强度循环控制变量初值j＝1；

4)计算该加速踏板强度下电机效率大于80％的边界转速及对应各挡最低车速和最高车速；

5)运用遗传算法求解升挡车速：以综合评价函数值最小为目标、以汽车基本行驶条件和电机高效率区对应车速为约束条件，运用遗传算法求解该踏板强度下的i挡升i+1挡车速u_upi(j)(i＝1,...,n-1)；

6)判断j＝k？若是，继续下一步，否则，j＝j+1，返回第4)步；

7)计算降挡车速；

8)保存计算结果；

其中，k为加速踏板强度循环控制变量终值，表示加速踏板强度从0到100％的等分数，其值取不小于10的整数；

步骤7)中计算降挡车速所用公式为：

式中，u_upi为升入i挡时的车速，u_up(i-1)为升入i-1挡时的车速，u_downi为i挡降入i-1挡的降挡车速；公式(8)中，对于2挡降1挡，加速踏板强度小于60％时，A_i＝0.4，加速踏板强度大于等于60％时，A_i＝0.15；对于其它挡位，加速踏板强度小于60％时，A_i＝0.8，加速踏板强度大于等于60％时，A_i＝0.2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明技术所制定的电动汽车有级自动变速器换挡规律，能够使汽车在体现驾驶员换挡操纵意图的基础上，确保整车动力和经济综合性能指标达到最优。

附图说明

图1为电动汽车有级自动变速器多性能综合最优换挡规律优化方法的总体方案；

图2为换挡性能综合评价函数构造方法示意图；

图3为某型电机效率分布图和不同加速踏板强度下的电机驱动转矩曲线；

图4为基于遗传算法的换挡规律优化计算主程序流程图；

图5为本发明具体实施例制定的某3挡机械式自动变速器动力性占优换挡规律；

图6为本发明具体实施例制定的某3挡机械式自动变速器经济性占优换挡规律；

图7为本发明具体实施例制定的某3挡机械式自动变速器动力经济综合最优换挡规律。

具体实施方式

下面结合附图，以制定某型纯电动汽车3挡电控机械式自动变速器(AMT)的多性能综合最优换挡规律为具体实施例，对本发明作进一步的说明。

本发明电动汽车有级自动变速器换挡规律优化方法的总体思路如图1所示，首先在对车辆性能和电机驱动特性研究分析的基础上，构造多性能综合最优换挡规律的综合评价函数；然后以该综合评价函数为优化目标，以汽车行驶的基本条件和电机高效率区对应的转速范围为约束条件，应用优化算法去计算电动汽车有级自动变速器多性能综合最优换挡规律。

图2为换挡性能综合评价函数构造方法示意图，先选定各分目标函数，然后分别对各分目标函数进行归一化处理，最后结合体现驾驶员操纵意图的加权系数，对各归一化后的分目标函数线性加权，构造多性能综合评价函数。

本实施例中，各分目标函数分别从动力性和经济性评价指标中选取。

动力性分目标函数采用汽车在不同加速踏板强度下高效率区域1挡所对应的最低车速至3挡所对应的最高车速的加速时间表示，表达式如下：

g_d(u)＝t₁+t₂+t₃ (1)

式中，g_d(x)为动力性分目标函数；t₁为一定的加速踏板强度下使用1挡使车速从高效率区域1挡所对应的最低车速提升至1挡至2挡换挡车速u₁所用的时间；t₂为一定的加速踏板强度下使用2挡使车速从u₁提升至2挡至3挡换挡车速u₂所用的时间；t₃为一定的加速踏板强度下使用3挡使车速从u₂提升至该加速踏板强度下高效率区域3挡所对应的最高车速所用的时间。

经济性分目标函数采用汽车在不同加速踏板强度下高效率区域1挡所对应的最低车速至3挡所对应的最高车速的单位里程能耗表示，表达式如下：

g_j(u)＝(e₁+e₂+e₃)/s (2)

式中，g_j(x)为经济性分目标函数；e₁为一定的加速踏板强度下使用1挡使车速从高效率区域1挡所对应的最低车速提升至u₁所消耗的能量；e₂为一定的加速踏板强度下使用2挡使车速从u₁提升至u₂所消耗的能量；e₃为一定的加速踏板强度下使用3挡使车速从u₂提升至该加速踏板强度下高效率区域3挡所对应的最高车速所消耗的能量；s为整个过程对应的行驶里程。

本实施例中，采用极差法对各分目标函数值进行归一化处理，将其转换到[0,1]的范围内，所用公式如下：

式中，x′表示归一化后的数据，x为样本原始数据，x_max为样本数据中的最大值，x_min为样本数据中的最小值。

归一化处理后的动力性、经济性分目标函数分别为g'_d(u)、g'_j(u)。采用线性加权方法，构造多性能综合评价函数如下：

式中，w_d、w_j分别为动力性分目标和经济性分目标的加权系数，不同的加权系数体现驾驶员不同的换挡操纵意图。如赋予w_j较大的值，w_d较小的值，则表明驾驶员希望以经济性为主、同时兼顾动力性的模式驾驶汽车。

本发明所述的在计算换挡规律时所需约束条件包括汽车基本行驶条件，以及电机高效率区对应的转速范围。

本实施例中，汽车基本行驶条件，即在换挡车速u_i(i＝1,2)下电机输出的转矩能驱动汽车行驶，应满足：

所述的电机高效率区对应的转速范围是指不同加速踏板强度下效率在80％以上所对应的车速范围，如图3所示，通过寻找不同加速踏板强度下的电机驱动转矩曲线与80％效率曲线的交点，可获得在不同加速踏板强度下电机高效区域对应的转速范围，再将电机转速换算为不同挡位下的车速，可获得相应挡位的换挡车速范围。表达式如下：

u_(i+1)min≤u_i≤u_imax(i＝1,2) (6)

式中，u_(i+1)min、u_imax分别是不同加速踏板强度下电机效率大于80％的电机转速所对应的i+1挡最低车速和i挡最高车速。

综上所述，纯电动汽车3挡AMT多性能综合换挡规律优化问题可描述如下：

本实施例中，针对不同的加速踏板强度，分别采用遗传算法求解能使多性能综合评价函数达到最优(即最小值)的换挡点所对应的车速。优化计算主流程如图4所示，主要步骤如下：

1)导入汽车满载质量m，驱动轮半径r，迎风面积A，空气阻力系数C_D,滚动阻力系数f等相关参数，输入各分目标的权值；

2)遗传算法参数初始化：本实施例设置种群的大小为150，遗传算法终止迭代代数为50，交叉概率为0.8，变异概率为0.2；

3)设加速踏板强度循环控制变量初值j＝1；

4)计算该加速踏板强度下电机效率大于80％的边界转速及对应各挡最低车速和最高车速；

5)运用遗传算法求解升挡车速：以综合评价函数值最小为目标、以汽车基本行驶条件和电机高效区域对应车速为约束条件，运用遗传算法求解该踏板强度下的1挡升2挡车速u₁(j)和2挡升3挡车速u₂(j)；

6)判断j＝k？若是，继续下一步，否则，j＝j+1，返回第4)步；

7)计算降挡车速；

8)保存计算结果。

其中，k为加速踏板强度循环控制变量终值，表示加速踏板强度从0到100％的等分数，本实施例其值取20。

步骤7)中计算降挡车速所用公式为：

式中，u_upi为升入i挡时的车速，u_up(i-1)为升入i-1挡时的车速，u_downi为i挡降入i-1挡时的车速。本实施例中，对于2挡降1挡，加速踏板强度小于60％时，A_i＝0.4，加速踏板强度大于等于60％时，A_i＝0.15；对于3挡降2挡，加速踏板强度小于60％时，A_i＝0.8，加速踏板强度大于等于60％时，A_i＝0.2。

下面举例说明如何应用本发明技术去计算体现驾驶员不同操纵意图的纯电动汽车多性能综合最优换挡规律。

例一：将各分目标函数的权值设置为w_d＝70％，w_j＝30％，以表达驾驶员希望以动力性为主，同时兼顾经济性的模式驾驶汽车。采用上述方法优化计算得到的动力性占优的多性能综合最优换挡规律如图5所示。

例二：将各分目标函数的权值设置为w_d＝30％，w_j＝70％，以表达驾驶员希望以较好的能耗经济性，同时兼顾动力性的模式驾驶汽车。采用上述方法优化计算得到的经济性占优的多性能综合最优换挡规律如图6所示。

例三：将各分目标函数的权值设置为w_d＝50％，w_j＝50％，以表达驾驶员对动力性和经济性的期望相同。采用上述方法优化计算得到的动力经济综合最优换挡规律如图7所示。

最后应说明的是，本发明的说明在本质上仅为示例性的，本领域的普通技术人员应当理解：所有不脱离本发明主旨的变型都应属于本发明的范围之内，这种变型不被视为脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。